第八章 微生物的遗传与变异,第一节 遗传变异的物质基础,四个基本概念 1、遗传型（genotype）：又称基因型 指某一生物个体所含有的全部遗传因子即基因组所携带的遗传信息。 2、表型(phenotype)： 指某一生物个体所具有的一切外表特征和内在特性的总和，是其遗传型在合适环境条件下通过代谢和发育而得到的具体体现。 代谢，发育 遗传型 + 环境条件 表型 （可能性） （现实性） 3、变异(variation)： 指生物个体在某种外因或内因的作用下所引起的遗传物质结构或数量的改变，即遗传型的改变。 特点：出现几率低、性状变化幅度大、新性状稳定、可遗传。 4、饰变(modification)： 指外表的修饰性改变，意即一种不涉及遗传物质结构改变而只发生在转录、转译水平上的表型变化。 特点：出现几率高、性状变化幅度小、不可遗传。 遗传和变异是一切生物最本质的属性之一。,第一节 遗传变异的物质基础,遗传变异的物质基础的认识过程： 达尔文时代：“泛生论”。血里找不到微粒。 孟德尔时代：基因，合子中成对。(1866) 上世纪初40年代：染色体与基因行为一致，由核酸和蛋白质组成，最初认为是蛋白质。 1944年后：利用微生物进行的三个著名实验，才证实核酸（DNA）是遗传变异的物质基础。,一、三个经典实验,一）、经典转化实验（分四步） 1、动物实验,2、细菌培养实验：平板培养 1）热死S菌：不长； 2）活R菌：长R菌； 3）热死S菌+活R菌：长大量R菌，少量（10-6）S菌。 3、S菌的无细胞抽提液实验： S菌的无细胞抽提液+活R菌，平板培养：长大量R菌，少量S菌。 4、 S菌各细胞成分的转化实验：（六组） 活R菌+ S菌成分，平板培养。（1944年）,一）经典转化实验（分四步）,S菌各细胞成分的转化实验,S cell extract +DNase+ R cell R colonies,二）、噬菌体感染实验（两组）（1952年）,A. D. Hershey和M. Chase， 1952年,（1）含32P-DNA的一组：放射性85%在沉淀中,上清液中含 15%放射性,沉淀中含 85%放射性,沉淀中含 25%放射性,以35S标记蛋白质外壳做噬菌体感染实验,（2）含35S-蛋白质的一组：放射性75%在上清液中,上清液中含 75%放射性,三）植物病毒的重建实验,二、遗传物质在微生物细胞内存在的部位和方式,（一）7个水平 1、细胞水平：有单核和多核；DNA集中在核（拟核）中。 2、细胞核水平：真核有膜，与组蛋白组成染色体；原核无膜。 3、染色体水平：真核生物有不同染色体数目。 单倍体：大多 数微生物、动植物生殖细胞； 双倍体：动植物体细胞、少数微生物营养细胞、合子； 部分双倍体：原核生物。 4、核酸水平：一般DNA，极少数RNA；一般双链，极少单链。 5、基因水平：每个基因约含1000碱基对；原核生物：操纵子。 6、密码子水平：三联密码子mRNA上的三个核苷酸顺序。 7、核苷酸水平：碱基水平，最低突变或交换单位。少数含稀有碱基。,细菌染色体DNA的大小和结构,真核生物的染色体结构,（二）原核生物的质粒,质粒：游离于原核生物核基因组以外，具有独立复制能力的小型共价闭合环状的dsDNA分子，即cccDNA 。 1.特点： 形态上：具有超螺旋结构，分子量在106-108Da间。 遗传上：携带有核质体上所没有的基因，使微生物具有一些非生存必需的特殊功能。可自主复制，也可转移；可消除，也可整合和脱离。 按其复制行为与核染色体的复制是否同步，分严紧型复制控制（stringent replication control)和松弛型复制控制（relaxed replication control）。,2.质粒在基因工程应用中的操作优点： 1）、体积小，便于DNA的分离和操作； 2）、呈环状，使其在化学分离过程中能保持性能稳定； 3）、有不受核基因组控制的独立复制起始点； 4）、拷贝数多，使外源DNA可很快扩增； 5）、存在抗药性基因等选择性标记，便于含质粒克隆的检出 和选择。 3.分离与鉴定：细胞裂解；与蛋白质、RNA、核质体DNA等分离；鉴定（电泳、电镜、离心）。 4.种类：五类。（表7-4）,典型质粒,1、F质粒：F因子，致育因子，性因子。 2、R质粒：R因子，抗性质粒。由RTF质粒和抗性决定质粒两片段结合形成。 3、Col质粒：产大肠杆菌素因子。 4、Ti质粒：诱癌质粒。引起双子叶植物根癌。 5、Ri质粒：与Ti质粒相似，诱生毛状根。 6、mega质粒：巨大质粒。含一系列固N基因。 7、降解性质粒：只在假单胞菌中发现。,第二节 基因突变和诱变育种,一、基因突变（gene mutation） 基因突变简称突变，是变异的一类，泛指细胞内（或病毒粒内）遗传物质的分子结构或数量突然发生的可遗传的变化，可自发或诱导产生。突变的几率一般很低（10-6 10-9） 从自然界分离到的菌株一般称野生型菌株（wild type strain），简称野生型。野生型经突变后形成的带有新性状的菌株，称突变株（mutant，或突变体、突变型）。,凡能用选择性培养基（或其他选择性培养条件）快速选择出来的突变株称选择性突变株（selectable mutant），反之则称为非选择性突变株。,（一）突变类型,1、营养缺陷型（auxotroph） 某一野生菌株因发生基因突变而丧失合成一种或几种生长因子、碱基或氨基酸的能力，因而无法再在基本培养基上正常生长繁殖的变异类型。 2、抗性突变型（resistant mutant） 指野生型菌株因发生基因突变，而产生的对某化学药物或致死物理因子的抗性突变类型。 3、条件致死突变型(conditional lethal mutant) 某菌株或病毒经基因突变后，在某种条件下可正常地生长、繁殖并呈现其固有的表型，而在另一种条件下却无法生长、繁殖的突变类型。,4、形态突变型(morphological mutant) 指由突变引起的个体或菌落形态的变异，一般属非选择性突变。 5、抗原突变型(antigenic mutant) 指由于基因突变引起的细胞抗原结构发生的变异类型，包括细胞壁缺陷变异、荚膜或鞭毛成分变异等。 6、产量突变型(metabolic quantitative mutant) 通过基因突变而产生的在代谢产物产量上明显有别于原始菌株的突变株，称产量突变型。有两种类型：正变株（plus-mutant）、负变株（minus-mutant）,（二）突变率（mutation rate） 某一细胞（或病毒粒）在每一世代中发生某一性状突变的几率，称突变率。 （三）基因突变的特点 1.自 发 性：各种突变都可在无人为诱变因素处理下自发发生； 2.不对应性：突变的性状与引起的原因间无直接对应关系； 3.稀 有 性：自发突变的几率极低，一般10-6-10-9，但稳定； 4.独 立 性：某一突变既不提高也不降低其他任何基因的突变率； 5.可 诱变性：诱变剂可提高突变的几率，两种变异株无本质差别； 6.稳 定 性：是遗传物质结构上发生了稳定的变化，稳定，可遗传； 7.可 逆 性：任何性状都可发生正向突变，也都可发生回复突变。,（四）基因突变自发性和不对应性的实验证明 1、Luria 等的变量试验（fluctuation test）,2、Newcombe的涂布试验,3、Lederberg等的影印平板培养法 (replica plating),(五)基因突变及机制,1、诱发突变（induced mutation ）,诱发突变简称诱变，是指通过人为的方法，利用物理、化学或生物因素显著提高基因自发突变频率的手段。凡具有诱变效应的任何因素，都称诱变剂（mutagen）。 1）碱基的置换（substitution ） 转换(嘌呤间或嘧啶间) 颠换(嘌呤和嘧啶间),亚硝酸引起的使AT转换成GC 过程的简式见下图,HNO2 A:T He:T Hk+T 第一次复制 AT HkC 第二次复制 GC HkC,直接引起置换的诱变剂,间接引起置换的诱变剂,2）移码突变（frame-shift mutation）,指诱变剂会使DNA序列中的一个或少数几个核苷酸发生增添（插入）或缺失，从而使该处后面的全部遗传密码的阅读框架发生改变，并进一步引起转录和转译错误的一类突变。 诱变剂：ICR（美国一癌症研究所名称）类化合物： 原黄素，吖啶黄，吖啶橙等。 诱变机理：至今不清。 结果：加3、减3；加（减）1，短距离减（加）1；影响小。 增（减）1、2、4、5引起后面全变。,常见的致变剂及其致变作用,(a)亚硝基的脱氨作用；(b) 烷化剂和被甲基化的碱基； (c) 5-溴脱氧嘧啶与鸟嘌呤配对(A=T变G三C)。,3） 染色体畸变（chromosomal aberration）,某些强烈理化因子会引起DNA分子的大损伤（macrolesion） 染色体畸变。 既包括染色体结构上的缺失（deletion）、重复(duplication)、插入(insertion)、易位(translocation)和倒位(inversion)，也包括染色体数目的变化。 转座（因）子：在染色体组中或染色体组间能改变自身位置的一段DNA顺序。 其跳跃过程往往导致DNA链的断裂或重接，产生重组交换、基因启动或关闭，使突变发生。 转座（因）子主要有三类：IS、Tn、Mu。,2、自发突变,自发突变（spontaneous mutation） 是指生物体在无人工干预下自然发生的低频率突变。 自发突变的原因: 1）背景辐射和环境因素的诱变； 2）微生物自身有害代谢产物的诱变效应； 3）互变异构效应；（配对错误） 4）环出效应。（发生缺失）,(六)紫外线对DNA的损伤及其修复,嘧啶碱基受紫外辐射后产生的衍生物,(六)紫外线对DNA的损伤及其修复 1、光复活作用（photoreactivation） 把经UV照射后的微生物立即暴露于可见光下时，就可 出现明显降低其死亡率的现象，此即光复活作用。 2、切除修复（excision repair） 是活细胞内一种用于对被UV等诱变剂损伤后DNA的修复 方式之一，又称暗修复（dark repair），这是一种不依赖 可见光，只通过酶切作用去除嘧啶二聚体，随后重新合成 一段正常DNA链的核酸修复方式。,（一）自发突变与育种 1、从生产中育种 如：抗噬菌体感染，“上酒白种” 2、定向培育优良菌株（“驯化”） 如：炭疽活菌疫苗，卡介苗 （二）诱变育种 诱变育种是指利用物理、化学等诱变剂处理均匀而分散的微生物细胞群，在促进其突变率显著提高的基础上，采用简便、快速和高效的筛选方法，从中挑选出少数符合育种目的的突变株，以供科学实验或生产实践使用。,二、突变与育种,1、诱变育种的基本环节,1）选择简便有效的诱变剂 2）挑选优良的出发菌株（original strain） 3）处理单细胞或单孢子悬液 4）选用最适的诱变剂量 5）充分利用复合处理的协同效应（synergism） 6）利用和创造形态、生理与产量间的相关指标 7）设计高效筛选方案（筛选比诱变更重要） 8）创造新型筛选方法,2、诱变育种中的几个原则,1）产量突变株的筛选 如：琼脂块培养法 2）营养缺陷型突变株的筛选 与筛选营养缺陷型突变株有关的3类培养基 基本培养基、完全培养基、补充培养基 与筛选营养缺陷型突变株有关的3类遗传个体 野生型(A+B+) 、营养缺陷型(A+B-)、原养型(A+B+) 营养缺陷型突变株的应用 基本理论:代谢途径、基因重组规律的标记菌种。 应用研究:生产核苷酸、氨基酸，工程菌株的亲本。,3、 三类突变株的筛选方法,第一步：诱变剂处理 第二步：淘汰野生型 抗生素法（细菌）、菌